面向四合院保護規(guī)劃研究的三維地理信息系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李 揚，馮學(xué)兵，賈光軍，顏 涯

(1. 北京市測繪設(shè)計研究院, 北京 100038; 2. 北京市規(guī)劃委員會,北京 100045 )

一、引 言

北京作為八百年古都，其歷史文化的構(gòu)成有兩個方面：帝王文化和市井文化。帝王文化的載體是故宮和眾多壇、廟、陵、園、府，而市井文化的載體是胡同、四合院。同時，北京胡同、四合院也是我國唯一幸存的帝王時代首都的民居建筑，是八百年古都北京市井文化的載體[1]。由此，文物部門發(fā)出“四合院的保護與故宮保護同等重要”的強音。四合院如此重要，但目前的狀況卻令人堪憂。據(jù)稱，北京至少有90%以上的四合院淪為大雜院[1]。大雜院內(nèi)一般居住著幾戶，甚至十幾戶人家，各家紛紛加建小房子，堆放雜物，擠占空間，部分大雜院已完全看不出原始院落格局。同時，部分建筑破損嚴(yán)重，修繕也不采用傳統(tǒng)工藝。

四合院雜亂的現(xiàn)狀給管理和規(guī)劃帶來了很多困擾，現(xiàn)有的管理手段已不能全面解決這些問題，主要困難如下：

1) 違法建設(shè)管理困難。目前，發(fā)現(xiàn)違法建設(shè)后，多采用文字與照片相結(jié)合的方式進(jìn)行記錄。由于違法建設(shè)的任意性，執(zhí)法人員很難用語言準(zhǔn)確記錄違法建設(shè)的位置和建設(shè)形態(tài)。而照片往往因攝像空間有限，取景區(qū)域狹窄，無法反映違法建設(shè)的整體形態(tài)，導(dǎo)致事后難以追溯違法建設(shè)在發(fā)現(xiàn)時的位置和狀態(tài)。

2) 整體展現(xiàn)保護區(qū)內(nèi)院落和胡同風(fēng)貌情況困難。目前，反映保護區(qū)內(nèi)風(fēng)貌的手段主要有影像、實地拍攝的照片和風(fēng)貌分類色塊(即基于對院落和建筑風(fēng)貌的分類，用不同顏色色塊表現(xiàn)各院落和建筑風(fēng)貌情況)，但各種手段都無法讓規(guī)劃研究人員和決策者直觀全面了解各院落的真實情況。對于影像，由于樹木的遮擋和飛行高度的限制，不能清楚反映各院落的肌理；對于實地拍攝的照片，因為數(shù)量有限，只能反映部分代表性院落的情況；對于風(fēng)貌分類色塊，因為分類有限，無法全面描述各個院落復(fù)雜的情況。

4) 規(guī)劃效果表達(dá)困難。目前，規(guī)劃方案的審核多采用規(guī)劃效果圖的方式，但由于四合院的環(huán)境復(fù)雜，規(guī)劃效果圖制作人員往往很難在效果圖中還原建設(shè)項目現(xiàn)狀，以及周邊院落和臨近胡同的現(xiàn)狀情況，導(dǎo)致效果圖和實施后效果差別較大。

針對以上問題，本文對利用三維地理信息系統(tǒng)輔助四合院保護的方法和思路進(jìn)行探索和研究，并將相關(guān)成果在“東四南歷史文化保護區(qū)保護規(guī)劃”和“鐘鼓樓廣場恢復(fù)整治”項目中推廣應(yīng)用。

二、技術(shù)路線

結(jié)合目前四合院管理、保護、規(guī)劃中存在的各種困難和歷史文化名城保護區(qū)保護規(guī)劃研究的需求，本文提出了一套利用三維地理信息系統(tǒng)輔助四合院保護的思路。

基于多時期、多分辨率大比例尺地形圖、影像圖，以及文物保護專題數(shù)據(jù)、規(guī)劃專題數(shù)據(jù)、房產(chǎn)專題數(shù)據(jù)、風(fēng)貌普查數(shù)據(jù)，構(gòu)建二三維一體化的現(xiàn)狀庫、歷史庫和規(guī)劃庫，并以此為基礎(chǔ)，搭建舊城歷史文化保護區(qū)三維規(guī)劃管理系統(tǒng)，為在三維環(huán)境下研究四合院的生長與沿革，探討四合院的規(guī)劃和保護，直觀呈現(xiàn)四合院的未來創(chuàng)造條件,見圖1。

圖1 技術(shù)路線

三、現(xiàn)狀、歷史、規(guī)劃數(shù)據(jù)庫的建立

1.現(xiàn)狀三維庫的建立

按照《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T 9015—2012)[2]的分類，以四合院為主體的歷史文化保護區(qū)現(xiàn)狀三維庫中主要包括：建筑要素模型、交通要素模型、植被要素模型、場地要素模型和其他要素模型。

主流的三維建模手段包括：基于航空攝影測量、基于實地外業(yè)測量和三維激光掃描[3-10]。由于歷史文化保護區(qū)多集中于空域管制嚴(yán)格的二環(huán)以內(nèi)，因此基于航空攝影測量和機載三維激光掃描進(jìn)行三維建模均不可行。本文采用了基于大比例尺地形圖，結(jié)合地面三維激光掃描技術(shù)、航空攝影測量等多手段采集建筑物高程的方法進(jìn)行三維建模。

為支撐保護規(guī)劃研究和四合院管理，各建筑需擁有相關(guān)的屬性，其中包括：建筑建成年代、產(chǎn)權(quán)登記情況、建筑風(fēng)貌和院落風(fēng)貌所屬類別等信息，具體表結(jié)構(gòu)見表1。

2．歷史三維庫的建立

歷史三維庫的建設(shè)擬在反映不同年代歷史文化保護區(qū)內(nèi)四合院肌理和風(fēng)貌的變遷，選擇有重大變化的時間節(jié)點是反映四合院變遷的關(guān)鍵。

表1 現(xiàn)狀三維建筑信息表結(jié)構(gòu)

回顧新中國成立至今的幾十年間舊城范圍內(nèi)四合院的發(fā)展變化，不同時期的行為都有著鮮明的時代特色。20世紀(jì)50年代，土地房屋國有化，許多大型住宅院落被分割,分給多戶居民使用[11]。50年代至60年代，經(jīng)歷了一個大規(guī)模拆改的時期。60年代，整個城墻被拆除。1976 年唐山大地震后 ,市民紛紛在院落中間搭建臨時的抗震棚 ,這些建筑并未在危險解除后及時拆除[12]。到了80和90年代，大雜院的情況愈演愈烈。同時，這段時期是我國住房制度、房地產(chǎn)制度發(fā)生變化的時期，大規(guī)模的開發(fā)帶來了全國范圍的開發(fā)性破壞。2000年以來，北京市政府加強了對歷史文化名城的保護，2002年10月正式批準(zhǔn)了《北京市歷史文化名城保護規(guī)劃》，并在2005年發(fā)布的《北京市城市總體規(guī)劃(2004—2020)》中指出：停止大拆大建，堅持小規(guī)模漸進(jìn)式有機更新。基于以上分析，每10年選擇一個年份制作歷史三維庫是比較具有代表性的。

信息是互聯(lián)網(wǎng)的強項，互聯(lián)網(wǎng)可以最大程度解決過去旅游信息不對稱的現(xiàn)象?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”時代的到來伴隨移動4G網(wǎng)絡(luò)和WIFI的普及，游客出行依靠互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)的程度越來越大，許多實證研究都得出網(wǎng)絡(luò)已成為游客獲取旅游信息的首選媒介。

為反映四合院基本格局、外形和尺度的演變，歷史三維模型的制作要素主要包括建筑要素模型和交通要素模型。

從資料收集情況來看，能夠完整全面記錄四合院變遷歷史的資料不多。其中，北京市測繪設(shè)計研究院收集的50年代至今的1∶500比例尺地形圖是數(shù)據(jù)質(zhì)量最好、最可靠的依據(jù)。據(jù)《北京市測繪處三十年來業(yè)務(wù)的基本情況》記載：“50年代—70年代地形圖上的地物點對鄰近解析圖根點的點位中誤差不超過：主要地物點±0.4毫米，次要地物點±0.6毫米”，這與2011年發(fā)布的《城市測量規(guī)范》(CJJ/T 8—2011)要求一致，說明歷史地形圖精度足以滿足歷史三維建模的要求。

與現(xiàn)狀三維建筑信息相比，歷史三維建筑屬性信息獲取相對困難，為輔助四合院格局歷史變遷的研究，歷史三維建筑信息需包括各建筑的產(chǎn)生和消亡年代，具體表結(jié)構(gòu)見表2。

表2 歷史三維建筑信息表結(jié)構(gòu)

3. 規(guī)劃三維庫的建立

規(guī)劃三維模型的制作要素應(yīng)包括建筑和景觀兩大類。

對于不同保護原則的四合院，三維模型制作工藝也不盡相同。對于以修繕維修為主的院落，規(guī)劃三維模型應(yīng)保留現(xiàn)狀三維模型的坐落位置和主體結(jié)構(gòu)，制作主要依據(jù)設(shè)計方案對現(xiàn)狀三維模型進(jìn)行修改。對于新建及完全改造的四合院，應(yīng)按照規(guī)劃設(shè)計總平圖、立面圖和效果圖制作規(guī)劃三維模型。對于部分改造的四合院，規(guī)劃模型制作需結(jié)合現(xiàn)狀三維模型和規(guī)劃總平圖共同制作。

規(guī)劃三維建筑信息應(yīng)包括規(guī)劃院落對應(yīng)的模型生產(chǎn)日期、整治原則、設(shè)計單位、模型制作單位、方案名稱和規(guī)劃方案的經(jīng)濟指標(biāo)，如容積率、綠地率、建筑面積、用地面積等信息，具體表結(jié)構(gòu)見表3。

表3 規(guī)劃三維建筑信息表結(jié)構(gòu)

四、舊城歷史文化保護區(qū)三維規(guī)劃管理系統(tǒng)開發(fā)

舊城歷史文化保護區(qū)三維規(guī)劃管理系統(tǒng)緊密結(jié)合歷史文化名城保護區(qū)保護規(guī)劃研究和四合院管理中對地理信息的需求,除提供三維地理信息系統(tǒng)常有的三維瀏覽、信息查詢、通視分析等通用功能外，還定制開發(fā)了歷史變遷、風(fēng)貌分類展示、規(guī)劃方案比選、規(guī)劃項目管理、違法建設(shè)管理等功能。

系統(tǒng)基于CityMaker 三維開發(fā)平臺搭建，服務(wù)器端采用CityMakerServer+Java開發(fā)，客戶端采用HTML+JavaScript+ActiveX控件(CityMaker Plug-in)開發(fā)，數(shù)據(jù)庫管理采用MySQL，技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 技術(shù)架構(gòu)圖

五、應(yīng)用展示

1. 研究四合院肌理和尺度的變遷

四合院是一種靈活性和適應(yīng)性強的居住模式，可根據(jù)家庭人口特點和生活習(xí)慣組織和改造院落空間。研究四合院的變遷歷史有助于對歷史文化保護區(qū)歷史沿革和發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行研究。圖3為一個院落的變遷過程。

圖3 某四合院歷史變遷效果圖

20世紀(jì)50年代時該院還保留了院落格局；60年代，院內(nèi)逐漸插建了多層現(xiàn)代建筑，原有院落格局被破壞；80年代，院落加建密度進(jìn)一步增高，院落環(huán)境進(jìn)一步惡化，已經(jīng)完全失去原貌；2000年后，院落進(jìn)行了整體改造，院落空間進(jìn)行重組，逐步形成了圍合的院落空間和舒適的氛圍，實現(xiàn)了地塊的自我更新和完善。

2. 研究四合院改造方案

舊城歷史文化保護區(qū)三維規(guī)劃管理系統(tǒng)為直觀表達(dá)規(guī)劃意圖、研討規(guī)劃方案搭建了平臺。規(guī)劃人員在進(jìn)行方案審核時，可將四合院改造方案直接插入到系統(tǒng)中，模擬建成后的效果，分析推敲規(guī)劃方案與周邊現(xiàn)有建筑的關(guān)系。圖4所示為一個部分改造四合院的現(xiàn)狀和規(guī)劃方案(該數(shù)據(jù)為示意數(shù)據(jù))效果。

圖4 某四合院改造方案示意圖

該院落前院為元代工字殿格局，但后院加建改造較嚴(yán)重，房屋質(zhì)量不佳。依照保護整治原則，規(guī)劃方案保留了前院的歷史建筑和空間格局，對后罩房的非歷史建筑進(jìn)行了改造和空間重組。

3. 評估保護區(qū)風(fēng)貌及歷史價值

目前，建筑風(fēng)貌評估主要依靠史料研究、現(xiàn)場踏勘、居民訪談等手段?；谠撓到y(tǒng)，評估人員可首先利用該系統(tǒng)對保護區(qū)歷史沿革和現(xiàn)狀有一個總體和直觀的認(rèn)識，減少史料調(diào)研和現(xiàn)場踏勘的工作量。

同時，規(guī)劃人員可將評估結(jié)果在系統(tǒng)中直觀呈現(xiàn)，為后期的規(guī)劃設(shè)計提供依據(jù)。圖5所示為該系統(tǒng)用不同深淺呈現(xiàn)院落/建筑的風(fēng)貌和歷史價值評估分級結(jié)果。

圖5 分類顯示院落風(fēng)貌效果圖

4. 輔助違法建設(shè)管理

利用舊城歷史文化保護區(qū)三維規(guī)劃管理系統(tǒng)，執(zhí)法人員發(fā)現(xiàn)違法建設(shè)后，可直接到三維環(huán)境中找到相應(yīng)的位置，填寫記錄表單，上傳現(xiàn)場照片。事后，管理人員不僅可以直觀了解違法建設(shè)在全市的分布，同時還可有效管理違法建設(shè)查處情況(如圖6所示)。

圖6 違法建設(shè)效果圖

六、結(jié)束語

經(jīng)過一年多的努力，利用三維輔助四合院保護規(guī)劃研究技術(shù)路線已試驗成功，相關(guān)成果已在“東四南歷史文化保護區(qū)保護規(guī)劃”和“鐘鼓樓廣場恢復(fù)整治”項目中得到應(yīng)用。下一步將繼續(xù)挖掘三維在舊城地下空間管理中的應(yīng)用，為舊城保護提供地上地下一體化的研究環(huán)境。

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